电气工程及其自动化学位论文：基于单片机的步进电机驱动系统设计

目录/提纲：……
1、CPU的改进（1）采用双CPU结构，以提高处理能力
2、存储器的发展（1）加大存储容量
1、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积
2、步进电机外表允许的最高温度
3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降
1、打印电路板
6、线路板钻孔
8、最后是实物焊接，有过电子工艺实习的经验可以顺利完成这项工作
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电气工程及其自动化学位论文：基于单片机的步进电机驱动系统设计

摘 要
随着微电子技术和计算机技术在工业生产等领域中的应用，利用微电子技术和计算机技术控制步进电机，让其可以可以满足工业生产要求已经逐渐成为一项新的技术而越来越成为各个领域研究的焦点。同时，对步进电机的控制要求也相对的越来越高。
本设计以STC89C51单片机为核心，利用单片机自身所带的定时中断,I/O输出以及将一些外围器件等结合起来,实现用按键对步进电机的启停调速,实时控制与显示步进电机的工作方式。另外,采用优化合理的步进电机驱动电路,用软件编程等精确控制技术,使系统更加稳定可靠。
本设计包括了硬件电路和软件电路的设计。硬件部分主要包括PROTEUS的系统原理图的设计、仿真和PCB电路板的制作。软件设计主要包括C语言在程序设计中的应用,用键盘输入控制步进电机的运转方式以及将运行状态显示于数码管。

关键字：步进电机；89C51系列单片机；PROTUES仿真软件；KEIL软件；PCB电路板

ABSTRACT
With the application of microelectronics and computer technology in the field of industrial production, microelectronics and computer technology to control stepper motor, so that it could meet the requirements of industrial production has gradually become a new technology has increasingly becomethe focus of research in various fields. At the same time, the stepper motor control requirements are relatively increasingly high.
The design STC89C51 micro-controller as the core, the use of the micro-controller brought timer interrupt, I / O output, and some peripheral devices combine the start and stop with the keys of the stepper motor speed control, real-time control and display stepper motorway of working. In addition, the use of reasonable optimization stepper motor drive circuit, precise control software programming technology to make the system more stable and reliable.
The design includes hardware circuit and software design of the circuit. The hardware section includes the PROTEUS system schematic design, simulation and PCB circuit board production. Software design includes C language program design, control the operation of stepper motor and use the keypad to enter the operating status display on the digital control.

Keywords： Stepper motor; 89C51 series micro-controll
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如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。
步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。
2.4步进电机的原理
2.4.1发热原理
通常见到的各类电机，内部都是有铁芯和绕组线圈的。绕组有电阻，通电会产生损耗，损耗大小与电阻和电流的平方成正比，这就是我们常说的铜损，如果电流不是标准的直流或正弦波，还会产生谐波损耗；铁心有磁滞涡流效应，在交变磁场中也会产生损耗，其大小与材料，电流，频率，电压有关，这叫铁损。铜损和铁损都会以发热的形式表现出来，从而影响电机的效率。步进电机一般追求定位精度和力矩输出，效率比较低，电流一般比较大，且谐波成分高，电流交变的频率也随转速而变化，因而步进电机普遍存在发热情况，且情况比一般交流电机严重。
2.4.2工作原理
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
下面通过图2-1来介绍一下四相步进电机的工作原理。

图2-1 四相步进电机步进示意图
该四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍，双四拍，以及八拍工作方式的通电时序与波形分别如图2-2所示。

图2-2 通电时序与波形图
第三章 方案设计与论证
3.1控制系统电路设计
本设计是利用单片机输出驱动信号到驱动器，经过驱动器放大信号从而实现步进电机的启动、停止、加速、减速的目的。
系统总体设计框图如图3-1所示









图3-1 系统总体设计框图
3.2 主要元器件介绍
3.2.1 STC89C51单片机
STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051 内核单片机，是高速/ 低功耗的新一代8051 单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MA*810 专用复位电路。
特点：
1）增强型1T 流水线/精简指令集结构8051 CPU
2)工作电压：3.4V-5.5V （5V单片机）/ 2.0V-3.8V （3V 单片机）
3)工作频率范围：0 -35 MHz
4)用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K字节
5)片上集成512 字节RAM
6)通用I/O 口（27/23个），复位后为：准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/高阻，每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA
7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序
8)EEPROM 功能
9)看门狗
10)内部集成MA*810 专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）
11)时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C 振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz ～6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz ～8MHz
12)有2个16 位定时器/ 计数器
13)外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
14)PWM( 4 路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可支持)
15)具有ADC功能。10 位精度ADC，共8路
16)通用异步串行口(UART)
17)SPI同步通信口，主模式/从模式。
18)工作温度范围：0 -75℃/ -40 -+85℃
19)封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20
3.2.2 28BYJ-48型步进电机

图3-2 28BYJ-48步进电机实物图
步进电机28BYJ48型四相八拍电机，其实物图如图3-2所示，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC- CD-DA-AB-…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）
3.2.3 ULN2003A
内部原理图如图3-3所示

图3-3 ULN2003A内部原理图
该芯片是由美国Te*as Instruments公司和Sprague公司联合开发的大电流高压达林顿管阵列功率驱动电路内部由电阻网路和二极管元件构建而成,同时有七组晶体管阵列,在实际使用时,可以同时对七组负载电路进行驱动,在行业中被定义为双极性单片高速大功率集成芯片。拥有高电流增益、高工作电压、宽泛的温度范围同时负载带动能力很强等特性。适应于各类要求高速大功率驱动的系统。本设计采用其作为步进电机的驱动控制芯片,以下为该芯片的主要特征:
1）电流增益高(大于1000A)
2）每一对达林顿管都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的电压下能与TTL和
CMOS电路直接相连
3）可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器进行处理的数据參灌电流可达
500mA,并且能在关态时承受50V的电压,输出能在高负载电流并行运行
4）采用DIP-16或者SOP-16塑料封装
5）带负载能力强(输出电流大于500mA)
6）温度范围宽(-40~85°C)
7）工作电压高(大于50V)
3.3方案论证
从该系统的设计要求我们可以知道，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增加和减少的变化，一般情况下可以用加减按钮来控制速度的变化。这样就只需要两根口线了，然后再加上一根启动信号线和一根方向线，则共需要4根输入线，系统的输入线和步进电机的饶组数有关，我们选择的步进电机是28BYJ-48型步进电机，该电机共用四相绕组，工作电压为+5V，因而可以和单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组可以用P1口的P1.0~P1.3来控制，但是由于P1口的驱动能力不足，所以可以用一篇ULN2003A增强驱动能力。用P0口来控制第一数码管用来显示正反转，用P2口控制第二个数码管用来显示转速的等级。数码管用共阳的。
第四章 硬件电路设计
本设计的硬件电路包括驱动电路、控制电路、显示电路、最小系统这四个部分。驱动电路主要是对单片机的输出脉冲进行功率放大，从而可以驱动电机转动。控制电路主要由开关和按键组成，由使用者根据相应的工作要求进行操作。显示电路主要是用来显示步进电机的工作状态和转速。最小系统主要是使单片机可以正常工作。
4.1 PROTUES软件介绍
4.1.1概述
PROTUES软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Corte*和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译。
4.1.2 功能特点
Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
革命性的特点：
（1）互动的电路仿真。用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Protues建立了完备的电子设计开发环境。
4.1.3电路仿真
在PROTUES绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HE*，可以在PROTUES的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。PROTUES 是单片机课堂教学的先进助手。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTUES提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTUES也能茯得愈来愈广泛的应用。
4.2 硬件电路的设计
4.2.1 驱动电路
根据前文所述，用ULN2003A功放芯片来作为本系统对步进电机的驱动芯片。如图4-1所示。通过单片机的P1.0~P1.3输出脉冲到ULN2003A的1B~4B端口，经过信号放大后再充1C~4C端口分别输出到电机的A、B、C、D相。体来说,采用ULN2003功放芯片作为本系统的功放电路,是一种用相对便宜的价格构成的性能不错的步进电机驱动电路的方式。

图4-1 驱动电路
4.2.2 控制电路
根据整个系统的控制要求，在控制输入部门设置了启动控制按钮，转向控制按钮，加速控制按钮，减速控制按钮，它们分别是K1、K2、S2、S3，控制电路图如图4-2所示。通过K1、K2状态的变化可以来实现步进电机启动、停止、转向功能。当K1、K2的状态发生变化时，内部程序检测P1.0以及P1.1的状态来调用相应的启动和转换程序，来实现系统的步进电机的启动和正反转的控制。
由步进电机的工作原理我们可以知道，步进电机的转速控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率来实现的，对于单片机来说，主要方法有：软件延时与定时中断。在本设计中步进电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机的加速的是通过S2、S3的闭合和断开，从而来控制外部中断。根据按键的次数，改变速度值的储存区中的数据，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。

图4-2 控制电路
4.2.3 显示电路
在本次设计中，步进电机可以实现正转、反转、加速、减速、启动、停止的功能。其中，电机的转速等级可分为七级，为了使操作者方便知道电机的转速等级和运行状态，在这里也设计了步进电机转速和工作状态的显示电路。在该显示电路中，主要是运用了单片机的P0和P2口。本设计采用两个共阳的数码管作显示。第一个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接到单片机P0.0~P0.7口，用以显示步进电机的正转和反转状态，当电机正转时显示“1”，当电机反转时显示“一”，当电机不转时显示“0”。第二个人数码管的a、b、c、d、e、f、g、h分别接到单片机的P2.0~ ……（未完，全文共43480字，当前仅显示7820字，请阅读下面提示信息。收藏《电气工程及其自动化学位论文：基于单片机的步进电机驱动系统设计》）